水利自動化(系統(tǒng))

水利自動化（系統(tǒng)）水利電力學院張勁松2014年3月第5章水利自動化（系統(tǒng)）5.1概述5.2水利通訊（系統(tǒng)）5.3大壩自動監(jiān)測（系統(tǒng)）5.4渠道運行控制5.1概述5.1.1定義：水利自動化系統(tǒng)（automaticsystemforwaterresources）

——應用計算機、自動控制、通信、遙感和遙測技術，使水利工程運行管理中相關的一系列技術措施和手段實現(xiàn)自動化管理。它與多種專業(yè)、學科緊密相關，包括水利工程學、管理學、系統(tǒng)工程學以及通信技術、遙測遙控技術、計算機應用技術、傳感器技術等。水資源相對貧乏，人均水資源占有量約2200立方米(1997)，相當于世界人均水資源量的四分之一，居世界第121位。(到2030年我國人均水資源占有量將從現(xiàn)在的2200立方米降至1700至1800立方米)?？陀^上要求合理高效地利用有限的水資源：要管好、用好有限的水資源，就要重視水利工程管理，并引進現(xiàn)代化管理科學理論和一切先進技術手段，實現(xiàn)水利工程管理綜合自動化。***西藏巴昔卡年降雨量4495毫米，為中國之最，號稱“中國雨都”。5.1.2水利工程自動化的特點及研究對象

水利工程管理自動化和其他許多行業(yè)和部門的自動化系統(tǒng)有很多相同之處，但也有其獨特的地方，例如，自動化裝置工作環(huán)境惡劣、分布時空廣、可變、不可預測因素多，尤其是水流很難駕馭。實現(xiàn)水利工程管理自動化就是要把其他行業(yè)或部門一些成熟的自動化裝置、技術引進到水利工程管理中來，并結合水利系統(tǒng)中的一些特點，研制出適應水利行業(yè)條件的自動化裝置、設備或系統(tǒng)。

5.1.3實施水利自動化的內(nèi)容

按照監(jiān)控裝置或系統(tǒng)來分，大體上包括：水情自動測報系統(tǒng)（區(qū)域降水、江河庫水位，流量和流速等）；氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)（風向、風速、蒸發(fā)量、濕度、溫度等）；水庫調度系統(tǒng)（水位、流量、閘位等）；大壩等工程安全自動監(jiān)測系統(tǒng)（水位、滲流、變形等）；渠系自動化監(jiān)控系統(tǒng)（水位、流量、流速、閘位等）；水機電自動控制系統(tǒng)（水位、流量、流速、機電運轉速度、電流、電壓）；河口、海岸監(jiān)測系統(tǒng)；次生地質災害監(jiān)測系統(tǒng)；水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。

5.1.4現(xiàn)狀與發(fā)展中國發(fā)展水利通信和自動化系統(tǒng)已有40多年歷史，建成了一大批水利專用通信系統(tǒng)和各種形式的水利自動化系統(tǒng)，基本上滿足了工程管理部門和重點工程的需求。中國水利行業(yè)正在建設國家防汛指揮系統(tǒng)，其中包括4個子系統(tǒng)：通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)建設的總目標是用5年的時間，建成一個以信息采集系統(tǒng)為基礎，通信、計算機網(wǎng)絡為手段，以決策支持系統(tǒng)為核心的國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)。隨著科學技術日益突飛猛進地發(fā)展，許多最先進的技術也正逐步應用到水利工程管理自動化中來。例如，數(shù)據(jù)移動通信技術、遙感技術、3S技術等，正開始應用于防汛抗旱、洪水預警、工程安全監(jiān)測等方面，相信不久的將來，將逐步趕上其他行業(yè)，使水利事業(yè)更好地

5.2水利通信（系統(tǒng)）

水利通信（thecommunicationforwaterresources）傳輸語音、數(shù)據(jù)、圖像等各種信息的水利專用通信系統(tǒng)，用于水利管理、防汛抗旱、水利量測、水資源調度等。由于水利工程多處于偏僻地區(qū)，交通不便，供電困難、地形復雜，而且通信業(yè)務量集中在雨季，水利通信系統(tǒng)以無線通信為主。建設水利專用無線通信系統(tǒng)必須先進行無線電通信線路設計，合理地選定通信站點位置，確定設備的技術指標，包括天線增益及其架設高度和方位、通信機技術指標、供電及防雷要求等，使所建設的通信系統(tǒng)具有最佳的性能價格比。

中國水利通信的現(xiàn)狀與發(fā)展

1975年8月（6、7、8日）淮河上游大水（板橋、石漫灘水庫失事）給國民經(jīng)濟建設和人民生命財產(chǎn)造成了重大損失，其原因之一是通信中斷，信息不明，失去指揮。為了吸取這一嚴重教訓，從1976年開始，中國水利通信進入了迅速發(fā)展時期，經(jīng)過30多年的努力，已經(jīng)建成了一大批分布在全國大江大河的重點河段、重要大中型水利工程和重點防洪地區(qū)的短波、超短波、微波和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。根據(jù)全國水利通信建設“十五”計劃的要求，從中央到地方，都投入了大量的人力和財力，在充分利用公共電信網(wǎng)的基礎上，加快建設、改造和完善水利專用通信網(wǎng)。

例如：國家防汛指揮系統(tǒng)通信分系統(tǒng)

包括衛(wèi)星通信網(wǎng)、微波通信網(wǎng)、集群移動通信網(wǎng)、蓄滯洪區(qū)預警反饋通信網(wǎng)四部分。它的任務是為計算機網(wǎng)絡和其他各種通信業(yè)務(語音、圖像、數(shù)據(jù))提供透明通道,完成水情信息的上傳及分發(fā)、工情信息的上傳、災情信息的上傳、國家防辦與流域及各省市的異地防汛會商、防汛調度指揮和水利防洪工程單位之間的聯(lián)絡、蓄滯洪區(qū)警報信息的傳遞及反饋等七個方面的任務。

移動通訊技術的發(fā)展：1995年，1G，語音通話；1996~1997年，2G（GSM、CDMA），數(shù)字式手機增加了接收數(shù)據(jù)功能；2000年，2.5G，GPRS和EDGE技術，高速無線IP；2000~2010，3G（WCDMA三代技術），2Mbit/s傳輸速率，實現(xiàn)個人多媒體業(yè)務；2010年，4G推出，下載速率100Mbit/s，網(wǎng)速快，靈活方便是移動4G網(wǎng)絡的最大優(yōu)勢，區(qū)別于普通寬帶上網(wǎng)的空間局限和無線上網(wǎng)網(wǎng)速的限制。5.2.1水利通信系統(tǒng)分類與構成1.通信系統(tǒng)的分類：

2.通信系統(tǒng)的組成：

5.2.2有線通信系統(tǒng)通信線路

架空明線；通信電纜；電力傳輸線（載波）；光纜

。

2.有線通信系統(tǒng)的類型及結構

（1）實線通信系統(tǒng)；（2）明線和電纜線載波系統(tǒng)；（3）電力線載波系統(tǒng)。

5.2.2

無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)根據(jù)所采用的波長或頻率的不同，又可分為短波（含超短波）、微波、散射、衛(wèi)星和激光通信等。在水利工程管理中，如防洪、搶險、救災、遙測、遙控、遙調等多使用短波通信系統(tǒng)。（1）短波通信頻率在3MHZ～30MHZ，依靠無線電波從電離層反射傳播實現(xiàn)通信。超短波通信習慣上把30MHZ～1000MHZ頻段稱為超短波頻段。短波通信系統(tǒng)的組成：

超短波通信的電波傳播機理主要有：視線傳播；繞射傳播。

（2）微波通信

微波通常指高于1000MHz、低于紅外線頻率的范圍，完全靠視線傳播。有：1）地面微波通信；2）衛(wèi)星通信。微波中繼通信可以解決區(qū)域之間大容量信息的傳輸，主要用于長途電話、電視節(jié)目、計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信等的傳輸，亦可用來傳輸遙控、遙測及遙感信號。微波通信的特點①微波頻段占有頻帶很寬，波長從分米波到毫米波多種頻段，頻率從300MHz到300000MHz，可以適用于更多的無線電設備。②在微波頻段，受工業(yè)、天電和宇宙外部干擾的影響很小，使微波通信的傳輸質量高。③微波受風雨冰雪等惡劣氣象條件、晝夜、季節(jié)的影響很小，所以微波通信穩(wěn)定度高。④微波段采用高增益定向天線，所以可用較小的發(fā)射功率而獲得滿意的通信效果。⑤微波是一種波長很短的電波，在自由空間只能像光波一樣沿直線傳播，繞射能力很弱，在傳播過程中遇到不均勻介質時將產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。因此在進行遠距離微波通信時要采用“中繼”方式（標準中繼站為46km）。這就要設立多個中繼站，給維護檢修工作帶來不便。

微波中繼通信系統(tǒng)的組成微波站收發(fā)設備及其工作過程（3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站之間進行的通信。與其他通信手段相比，衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點是：①通信距離遠，且費用和通信距離無關；②工作頻段寬，通信容量大，適用于多種業(yè)務傳輸；③通信線路穩(wěn)定可靠，通信質量高；④以廣播方式工作，具有大面積覆蓋能力，可以實現(xiàn)多址通信和信道的按需分配屈而通信靈活機動；⑤可以自發(fā)自收進行監(jiān)測。衛(wèi)星通信線路的組成通信衛(wèi)星及地球站通信衛(wèi)星的基本功能是為各個有關的地球站轉發(fā)無線電信號以實現(xiàn)多地址的中繼通信，同時，通信衛(wèi)星還應具有一些必要的輔助功能，以保證通信任務可靠地進行。一般來說，通信衛(wèi)星主要由天線分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、遙測與指令分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)五大部分組成。地球站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分。它可以按不同的方法來分類。如按安裝方式可分為固定站、移動站和可搬運站；按天線主反射面口徑的大小分有30m、20m、15m、10m、5m、1m等；按傳輸信號特征分有模擬站和數(shù)字站。按用途分有民用、軍用、廣播、航空、航海及實驗站等；按業(yè)務性質分有遙控遙測跟蹤站、通信參數(shù)測量站和通信業(yè)務站。一個標準地球站由天線系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、終站系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等六部分組成。

5.2.4計算機通信網(wǎng)絡（1）計算機通信網(wǎng)絡的組成計算機通信網(wǎng)絡是計算機技術與通信技術日益發(fā)展相結合的產(chǎn)物。凡將地理位置不同、具備獨立功能的多臺計算機、終端及其附屬設備，用通信設備和線路連接起來，且配以相應的網(wǎng)絡軟件實現(xiàn)通信網(wǎng)資源共享者，稱為計算機通信網(wǎng)絡。通常，網(wǎng)絡中有多臺計算機，各計算機除完成本身的業(yè)務外，還彼此交換情報。各計算機用戶或聯(lián)合起來共同完成某項業(yè)務，或共享其他計算機系統(tǒng)的硬、軟件資源，這時除了要求有可靠的通信系統(tǒng)外，還要求制定一個全網(wǎng)一致遵守的“協(xié)議”，以及配置支持這些協(xié)議的軟件。

（2）計算機通信網(wǎng)絡的主要功能①在終端與計算機、計算機與計算機之間相互傳送數(shù)據(jù)和信息。②對地理上分散的生產(chǎn)單位或業(yè)務部門提供實時集中控制。③實現(xiàn)資源共享（包括硬件、軟件及數(shù)據(jù)資源等）。④提供高度的可靠性及可用性。（3）計算機通信網(wǎng)絡的基本組成計算機通信網(wǎng)絡是由終端、集中器、計算機、交換中心等通信線路連接而成的，主要由以下幾個部分組成。①主機。主機是負擔數(shù)據(jù)處理的計算機系統(tǒng)，可以是單機，也可以是多機系統(tǒng)。②通信處理機。做網(wǎng)絡通信處理工作，如差．錯控制、代碼變換、報文分組或重裝、路由選擇等，以減輕主機負擔，也稱前端處理機。③集中器。集中器也是一臺計算機，其作用是把若干終端經(jīng)本地線路（低速線路）集中起來連接到1－2條高速線路上，以提高通信效率和降低通信費用。實質上是終端側的通信處理機。④調制解調器。⑤終端。大量用戶通過終端與計算機及其網(wǎng)絡發(fā)生關系，構成人一機對話或共享資源。⑥通信線路。有架空明線、電纜、微波線路、纖維光纜和衛(wèi)星線路等。

5.2.5光纖通信光纖通信通信科學的發(fā)展歷史悠久。近代通信技術分為電通信和光通信兩類。電通信又分為有線通信和無線通信，這是兩種相當成熟的通信技術。通信技術發(fā)展過程中，圍繞著增加信息傳輸?shù)乃俾屎途嚯x，提高通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和經(jīng)濟性方面進行了許多工作，取得了卓越的成就。光通信技術就是當代通信技術發(fā)展的最新成就，已成為現(xiàn)代通信的基石。2009年諾貝爾物理學獎授予英國華裔科學家高錕以及兩位美國科學家。高錕獲獎，是因為他在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”做出了突破性成就。高錕被譽為“光纖之父”。早在1966年，高錕就在一篇論文中首次提出用玻璃纖維作為光波導用于通訊的理論。簡單地說，就是提出以玻璃制造比頭發(fā)絲更細的光纖，取代銅導線作為長距離的通訊線路。這個理論引起了世界通信技術的一次革命。隨著第一個光纖系統(tǒng)于1981年成功問世，高錕“光纖之父”美譽傳遍世界。光纖通信工作在近紅外區(qū)，其波長是0.8～l.8μm對應的頻率為167～375THz。光纖通信技術的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)起到了舉足輕重的地位，發(fā)展前景十分廣闊。光波通信的發(fā)展至今不過40年，但其進展之快，對通信技術影響之大，始所未料。光纖通信發(fā)展經(jīng)歷了5代：第1代：1978年工作于0.8μm的第一代光波系統(tǒng)正式投人商業(yè)應用，其比特率在20～100Mb人之間，最大中繼間距約10km，最大通信容量（BL）約500Mb／s·km。第2代：1987年1.3μm單模第二代光波系統(tǒng)開始投人商業(yè)運營，其比特率高達1.7Gb／s，中繼距離約50km。第3代：1990年，工作于2.4Gb／S，1.55μm的第三代光波系統(tǒng)已能提供通信商業(yè)業(yè)務第4代：20世紀90年代初期，光纖放大器的問世已引起了光纖通信領域的重大變革第5代：基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產(chǎn)生的光孤子，實現(xiàn)光脈沖信號保形傳輸。1994年和1995年80Gb／s和160Gb／s的高速數(shù)據(jù)也分別傳輸500km和200km。光纖通信具有下列優(yōu)點：（1）傳輸頻帶寬，通信容量大。目前使用的光波頻率比微波高103～104倍，通信容量約可增加103～104倍。理論上兩根光纖可傳送上百萬個電話和上百套電視節(jié)目。目前已試驗成可通數(shù)萬路電話的系統(tǒng)。（2）中繼距離遠。光纖通信無中繼的直通距離可比金屬線纜遠得多，目前可達100km以上，比同軸電纜大幾十倍。（3）抗電磁干擾能力強，無串話。光纖是非金屬的光導纖維，即使工作在強電磁場附近或處于核爆炸后強大的電磁干擾的環(huán)境中。光纖也不會產(chǎn)生感應電壓、電流。這有利于傳送動態(tài)圖像（如可視電話和電視節(jié)目）?？拷邏狠旊娋€和與電氣化鐵道并行鋪設，通信也不受干擾，適于在工廠內(nèi)部的自動控制和監(jiān)視系統(tǒng)應用，也有利于在多雷地區(qū)、飛機上以及保密性要求高的軍政單位使用。由于光纖信息限制在光纖內(nèi)傳輸，不會逸出光纖。所以光纜的光纖之間不會“串話”，即沒有纖間串擾，不易被竊聽。（4）光纖細，光纜輕。光纖直徑一般只有幾微米至上百微米數(shù)量級，相同容量話路光纜，要比電纜輕90％～95％（光纜的重量僅為電纜的1／10～1／20），直徑不到電纜的1／5，故運輸和鋪設均比銅線電纜方便，并利于在軍用戰(zhàn)斗機上作信號控制用。（5）資源豐富，節(jié)約有色金屬和能源。光纖的纖芯和包層的主要原料是二氧化硅，資源豐富且價格便宜，取之不盡。而電纜所需的銅、鋁礦產(chǎn)則是有限的，采用光纖后可節(jié)省大量的銅材。制造10000km光纖比10000km單管同軸銅線節(jié)約能源2.64×1011J折合標準煤為9×105kg。（6）均衡容易。在工作頻帶內(nèi)，光纖對每一頻率成分的損耗幾乎是相等的，一般不需在中繼站和接收端采取幅度均衡措施。若需要均衡，一般也容易達到要求。（7）經(jīng)濟效益好。由于其通信容量大，中繼距離長，節(jié)省有色金屬和鋪設方便等優(yōu)點，因此，經(jīng)濟效益十分明顯。34Gb/s上光纖通信系統(tǒng)的價格比同軸電纜便宜30％以上。（8）抗腐蝕、不怕潮濕。即使光纖的外保護層有小孔、裂縫而進水或受潮，也不會影響光的傳遞，但進水和受潮對金屬導線意味著接地和短路。光纖系統(tǒng)也不存在發(fā)生火花的危險，安全性好。

光纖通信系統(tǒng)的組成

：系統(tǒng)主要包括3大部分，即光發(fā)送設備、光接收設備和光傳輸設備。光發(fā)送設備主要有驅動器和光源，其作用是把電端機輸人的電信號對光源進行調制，使光源產(chǎn)生出與電信號相對應的光信號進人光纖。光接收設備主要有光檢測器和放大器。當光信號通過光纖到達光接收設備時，光檢測器把光信號轉換為相應的電信號，經(jīng)放大后進人電端機。在沒有中繼器的短距離通信系統(tǒng)中，傳輸設備指的是光纜。在遠距離通信系統(tǒng)中，為了補償光纖的損耗并消除信號失真與噪聲的影響，光纜經(jīng)過一定距離需加裝中繼器。中繼器由光檢測器、電信號放大器、判決再生電路、驅動器和光源等組成，其作用是將光信號變成電信號，經(jīng)過放大和再生，然后再交換成光信號送人下一段光纖中

光纖通信的發(fā)展趨勢

：光載波有無比巨大的通信容量，預測光通信的容量可達40000Gb/s，如此巨大的天文數(shù)字通信容量正在奇跡般地一步一步變?yōu)楝F(xiàn)實。光纖通信未來的發(fā)展仍具有巨大的潛力。（1）電時分復用技術（2）光波分復用（WDM）（3）全光通信網(wǎng)絡以上技術的實現(xiàn)取決于近些年來光電子器件的迅速發(fā)展。由于光電子器件的發(fā)展，光纖通信的試驗水平不斷發(fā)展必將帶動光纖通信商用系統(tǒng)水平的提高。5.3.6水利工程管理通信系統(tǒng)的主要任務和設計原則1．主要任務（1）在本工程管理范圍內(nèi)傳輸各種數(shù)據(jù)和命令。（2）與上級主管部門、氣象部門以及兄弟單位之間傳輸各種資料、信息。（3）防洪、抗旱、排澇等緊急任務通信。（4）日常工程管理的隨機信息的通信。（5）一般行政業(yè)務通信。2．要求通信系統(tǒng)是水利工程現(xiàn)代化管理系統(tǒng)的關鍵項目之一。其他一些系統(tǒng)，如水情自動測報系統(tǒng)、防洪抗旱排澇預警調度系統(tǒng)、閘門遙控系統(tǒng)等，均必須以建立一個可靠的通信系統(tǒng)為基礎，因此，通信系統(tǒng)應完全符合現(xiàn)代化管理總體功能的需要，具體要求如下：（1）兼有數(shù)據(jù)和話音傳輸功能現(xiàn)代通信系統(tǒng)不僅需要傳輸話音信息，而且在更多的情況下，需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，有時甚至是圖片，如衛(wèi)星云圖、大壩洪水期變形（或位移）攝像圖等。（2）系統(tǒng)性能要符合要求通信系統(tǒng)的性能指標包括有效性、可靠性、適應性、標準性、經(jīng)濟性、可維護性等。其中，從信息傳輸?shù)慕嵌瓤矗罨?、最重要的是有效性和可靠性?）模擬通信系統(tǒng)的有效性和可靠性；2）數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性和可靠性3．系統(tǒng)設計原則和步驟（1）設計原則1）在布局上，通信系統(tǒng)應與行政管理機構相適應。2）通信系統(tǒng)中心與重要的水利工程設施管理單位（如泄洪閘管理站，重要的雨量、水位站）之間應具備主副兩個信道。一般水利工程系統(tǒng)在野外，甚至偏僻山區(qū)，通信受自然環(huán)境條件影響極大，為了保證系統(tǒng)的可靠性，應盡量建立主副兩個信道，如有線通信和無線通信。3）通信系統(tǒng)在各節(jié)點上盡可能與郵電公網(wǎng)匯接。目前，我國郵電公共通信網(wǎng)已經(jīng)深入到廣大城鄉(xiāng)，而且還在不斷地完善之中。水利工程管理的通信系統(tǒng)如能與郵電公網(wǎng)匯接，即便費用高一點也是值得的。4）所有設備均應考慮能在惡劣的氣候條件下不間斷工作，在遭遇到最不利情況下仍然可以達到系統(tǒng)設計的傳輸最基本信息的要求。5）以盡可能低的成本，采用盡可能先進的技術和設備來組成一個有效的、可靠的通信系統(tǒng)，同時要給系統(tǒng)的適應性、標準性和可維護性以極大的注意。（2）通信系統(tǒng)設計程序步驟通信系統(tǒng)設計程序大體可分為如下四個步驟。1）明確目的和信息量的多少；2）確定系統(tǒng)的質量要求及對運行管理人員的素質要求；3）決定可用性設備；4）通信系統(tǒng)的評定。①系統(tǒng)的質量和可靠性與投人的成本和運費的比較。②需要的管理人員其能力與培訓資金和運行費用的比較。③研究設備更新，以確定在最后分析中還需要多少附加的資金、時間和人力，以便在今后系統(tǒng)應用發(fā)展中能有一定程度的靈活性和適應性等。當以上因素都被評估為良好時，則“通信系統(tǒng)設計指標”就達到要求，可按計劃進行研究、訂購和制造新的設備，最后組建通信系統(tǒng)，完成各種不同的通信目的。5.3大壩自動監(jiān)測（系統(tǒng)）

5.3.1概述

大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)（automaticmonitoringsystemfordamsafety）由監(jiān)測儀器（傳感器）、數(shù)據(jù)采集裝置、通信和電源線路、電子計算機系統(tǒng)及相關系統(tǒng)軟件和應用軟件組成的自動化系統(tǒng)，用以實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、自動處理、在線監(jiān)控、離線分析、信息管理、安全評判和輔助決策，以便采取正確合理的措施，保證大壩安全。它是實現(xiàn)大壩安全管理現(xiàn)代化的重要手段。系統(tǒng)的應用將大大提高大壩安全管理的效率、監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性及監(jiān)測成果的質量，還起到減員增效的作用。大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)的組成大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)由大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)和大壩安全信息管理系統(tǒng)組成。

大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)分類有3種類型：即集中式、分布式和混合式。（1）集中式系統(tǒng)。由監(jiān)測儀器（傳感器）、集線箱（轉換裝置）和檢測裝置等組成。該系統(tǒng)的可靠性較低，已逐漸為分布式系統(tǒng)所取代。（2）分布式系統(tǒng)。由監(jiān)測儀器、監(jiān)測控制裝置和中央控制裝置組成。系統(tǒng)設備一般采用總線拓撲組成通信網(wǎng)絡，也可組成星形或環(huán)形拓撲。系統(tǒng)內(nèi)外的通信方式可根據(jù)工程特點和實際要求采用有線、無線、微波或光纜通信。分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度快，可靠性高，已成大壩監(jiān)測自動化的主流。（3）混合式系統(tǒng)。由上述2種系統(tǒng)組合而成，兩個子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)均輸人同一個信息管理系統(tǒng)，以便統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理和管理。大壩采集系統(tǒng)結構大壩安全信息管理系統(tǒng)是管理和應用監(jiān)測數(shù)據(jù)為大壩安全服務的硬件和軟件的組合，由計算機系統(tǒng)或計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)及相應的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、各種有關支撐軟件及應用軟件等組成，具有大壩安全信息管理、資料分析、在線安全監(jiān)控和輔助決策等功能，為工程安全運行和技術發(fā)展服務。（1）大壩安全信息管理。通過多種控制模塊、功能模塊和所建數(shù)據(jù)庫，能對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)信息，包括在線自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、人工輸人監(jiān)測數(shù)據(jù)、由監(jiān)測數(shù)據(jù)變換的各種監(jiān)測成果、監(jiān)測數(shù)學模型、安全監(jiān)控指標、監(jiān)測報表和圖形曲線、大壩工程資料和工程圖、人工巡視檢查信息等進行管理，可通過檢索、排序、合并、變換、匯總、創(chuàng)覽等方法提取有關大壩安全信息，供進一步分析處理或運行管理應用。可采用打印、繪圖、制表等方式輸出這些信息，也可以通過網(wǎng)絡通信供有關部門共享。為了便于運行人員操作，保證系統(tǒng)安全，更新維護數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)一般都備有在線幫助、安全保密、備份管理、維護升級等有關模塊和功能。大壩安全信息管理系統(tǒng)

（2）資料分析。系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要及時分析，以了解大壩運行性態(tài)，對大壩安全進行評判，提出分析報告，為大壩運行管理和定期檢查鑒定提供依據(jù)。資料分析又為在線安全監(jiān)控和輔助決策提供分析成果，以提高大壩安全管理的自動化程度。（3）安全監(jiān)測數(shù)學模型。用于安全監(jiān)測的數(shù)學模型有3種，即統(tǒng)計模型、確定性模型和混合模型。①統(tǒng)計模型。對長期的監(jiān)測資料，運用數(shù)理統(tǒng)計方法建立原因量和效應量之間的數(shù)學關系，是一種經(jīng)驗模型。②確定性模型。是以有限元等力學計算方法進行大壩結構分析為基礎建立的數(shù)學模型。③混合模型。是指水壓分量用有限元計算，其他分量仍用統(tǒng)計模式，然后與實測值進行優(yōu)化擬合建立的數(shù)學模型。（4）在線大壩安全監(jiān)控。反映大壩性態(tài)變化規(guī)律的數(shù)學模型建立后，還需要根據(jù)設計資料和運行條件確定大壩安全監(jiān)控指標，編制程序，用電子計算機實現(xiàn)大壩安全監(jiān)控。（其原理見圖）（5）輔助決策。由于水工建筑物及其地基的復雜性，僅僅根據(jù)有限測點和某些監(jiān)測物理量的數(shù)學模型進行安全監(jiān)測或安全評價是不夠的。因此，研究以專家系統(tǒng)為基礎建立大壩安全評判和決策支持系統(tǒng)，在異常監(jiān)測數(shù)據(jù)或異常大壩性態(tài)出現(xiàn)時用以評判大壩安全程度并迅速決策，以便采取有效措施保證大壩安全。大壩安全自動監(jiān)測發(fā)展20世紀60年代以前，大壩監(jiān)測和安全管理以人工為主。為了減輕觀測人員的勞動強度，實現(xiàn)了部分傳感器的集中遙測，資料整理和分析通常仍由人工進行。在60年代～70年代，日本、意大利、西班牙、法國、美國、蘇聯(lián)等國實現(xiàn)了大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的自動化，同時在資料整理分析方面普遍應用了電子計算機，提高了工作效率。有些國家，如美國、意大利、法國等還采取了大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中管理，利用計算機加快了資料分析和反饋的過程。70年代后期到80年代中期，意大利提出建立安全監(jiān)測數(shù)學模型，利用微型計算機輔助實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測自動化的方法。80年代中期一些國家發(fā)展了分布式大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使大壩監(jiān)測自動化的可靠性進一步提高。中國于20世紀70年代開展大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)采集自動化的研究，80年代在一些大壩上實現(xiàn)了部分監(jiān)測物理量的數(shù)據(jù)采集自動化。90年代初期，研制成功分布式大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)，很快使大壩監(jiān)測自動化趨于實用，趕上了國際先進水平。三峽大壩、小浪底。5.3.2自動化監(jiān)測系統(tǒng)基本要求

1．實用性：要適應施工期、蓄水期、運行期及已建工程更新改造的不同需要，便于維護和擴充，每次擴充時不影響已建系統(tǒng)的正常運行，并能針對工程的實際情況兼容各類傳感器。能在溫度-30～+60℃、濕度95％以上及規(guī)定水壓條件下正常工作，能防雷和抗電磁干擾．系統(tǒng)中各測值宜變換為標準數(shù)字量輸出。操作簡單，安裝、埋設方便，易于維護。2．可靠性：保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、經(jīng)久耐用，觀測數(shù)據(jù)具有可靠的精度和準確度，能自檢自校及顯示故障診斷結果并具有斷電保護功能。同時具有獨立于自動測量儀器的人工觀測接口。3．先進性：自動化系統(tǒng)的原理和性能應具備先進性，根據(jù)需要和可能采用各種先進技術手段和元器件，使系統(tǒng)的各項性能指標達到國內(nèi)外同類系統(tǒng)的先進水平。4．經(jīng)濟性：系統(tǒng)中軟硬件要力求價格低廉，經(jīng)濟合理，在同樣監(jiān)測功能下，性能價格比最優(yōu)，且有良好的售后服務。除能在線及時測量和處理數(shù)據(jù)外，還應具有離線輸人接口。5.3.3自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計方案1．集中式（1）系統(tǒng)結構1）集中式系統(tǒng)是將傳感器通過集線箱或直接連接到采集器的一端進行集中觀測。在這種系統(tǒng)中，不同類型的傳感器要用不同的采集器控制測量，由一條總線連接，形成一個獨立的子系統(tǒng)。系統(tǒng)中有幾種傳感器，就有幾個子系統(tǒng)和幾條總線。2）所有采集器都集中在主機附近，由主機存儲和管理各個采集器數(shù)據(jù)。采集器通過集線箱實現(xiàn)選點，如直接選點則可靠性較差。（2）系統(tǒng)特點1）當傳感器種類單一時，采集器數(shù)量與傳感器個數(shù)沒有關系，可減少采集器數(shù)量，降低成本。2）因為采集器大都在主機附近，與傳感器距離較遠。傳感器信號在總線上傳輸時，將帶來信號衰減及外界干擾等問題，使系統(tǒng)可靠度降低。3）因眾多的傳感器接到一條總線上，一旦某種傳感器總線或某臺設備出現(xiàn)故障，則影響整個系統(tǒng)的觀測。4）系統(tǒng)組成不合理，因大壩布設的各類傳感器數(shù)量并不均勻，造成各采集器負載不同，使系統(tǒng)負載不平衡。2．分布式（1）系統(tǒng)結構1）分布式系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)采集工作分散到靠近較多傳感器的采集站(測控單元）來完成，然后將所測數(shù)據(jù)傳送到主機。這種系統(tǒng)要求每個觀測現(xiàn)場的測控單元應是多功能智能型儀器，能對各種類型的傳感器進行控制測量。2）在這種系統(tǒng)中，采集站（測控單元）一般布置在較集中的測點附近，不僅起開關切換作用，而且將傳感器輸出的模擬信號轉換成抗干擾性能好、便于傳送的數(shù)字信號。（2）系統(tǒng)特點1）系統(tǒng)中采集站可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模大小及測點分布位置來選擇，可按標準化設計，使各采集站的功能相同，但配置不同（硬件配置可根據(jù)傳感器種類而定）。2）系統(tǒng)中各采集站軟硬件通用，減少了備品備件數(shù)量和費用，維護方便、可靠性高、不會因局部故障影響整個系統(tǒng)的工作。同時因各采集站可同時工作，采集速度快、實時性強。3）采集站位于現(xiàn)場的惡劣環(huán)境中，防潮條件要求高。4）數(shù)據(jù)采集工作是在傳感器附近完成的，不存在各種電子信號的遠傳問題。雖然主機與采集站間的通訊線路距離較長，但線路上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號、抗干擾能力強，無需增加特殊處理措施。

3．方案比較（1）數(shù)據(jù)采集方面1）集中式系統(tǒng)是將傳感器連接到靠近主機的采集器一端進行集中觀測；而分布式系統(tǒng)則把數(shù)據(jù)采集工作分散到各采集站來完成，可直接傳送到主機，也可到現(xiàn)場用便攜式微機或數(shù)據(jù)儲存卡記錄再輸人主機。2）集中式系統(tǒng)只有一條總線控制測量裝置，一旦損壞，系統(tǒng)運行即告中斷；分布式系統(tǒng)在各采集站分別進行觀測，如發(fā)生故障只影響本采集站，而不影響系統(tǒng)其余各站的觀測。3）集中式系統(tǒng)觀測時各傳感器需在采集器前排隊，觀測速度慢，降低了系統(tǒng)的實時性；分布式系統(tǒng)各采集站可同時工作，觀測速度快，且數(shù)據(jù)采集和處理可同步進行。3．方案比較（2）系統(tǒng)擴展方面1）集中式系統(tǒng)傳感器與采集器相距較遠，一般傳送的是模擬信號。當信號較小時會受到干擾，且有較大衰減；分布式系統(tǒng)采集站傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，便于遠距離傳送。2）集中式系統(tǒng)對總線電纜要求高（阻抗特性、屏蔽、絕緣電阻），芯數(shù)多、數(shù)量大、易受干擾；分布式系統(tǒng)采集站與傳感器間距離短，與主機間僅一條總線且僅用一般通訊線即可，芯數(shù)較少。3）集中式系統(tǒng)組成基本上是一個固定模式，建成后不便于擴展；分布式系統(tǒng)只需在原有系統(tǒng)上延伸數(shù)據(jù)總線，增加采集站，就可以在不影響原系統(tǒng)工作情況下擴展系統(tǒng)，具有較好的靈活性。3．方案比較（3）適用條件方面1）集中式系統(tǒng)適用于測點數(shù)量分布均勻，傳感器種類和數(shù)量較少，總線距離又較短及儀器布置集中的小型自動化監(jiān)測系統(tǒng)。2）分布式系統(tǒng)適用于測點分布廣，數(shù)量不均勻，傳感器種類和數(shù)量較多，總線距離又較長的大中型自動化監(jiān)測系統(tǒng)。3）混合式系統(tǒng)為上述兩種系統(tǒng)組合而成，必要時可結合工程的實際情況設計選用。5.3.4自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成與功能

1．系統(tǒng)組成（1）系統(tǒng)聯(lián)接通常采用分布式監(jiān)測系統(tǒng)．網(wǎng)絡拓撲結構為中心的輻射狀結構，網(wǎng)絡的中心為監(jiān)測系統(tǒng)總站，各輻射點為監(jiān)測系統(tǒng)分站。監(jiān)測分站與傳感器及采集站之間采用有線聯(lián)接，與監(jiān)測總站及管理中心之間除有線（電線、光纖）外，還可采用無線（衛(wèi)星、微波、短波、超短波）、電話或網(wǎng)絡通訊聯(lián)接。（2）網(wǎng)絡結構1）電纜；2）傳感器包括滲壓計、滲流量計、垂線儀、傾斜儀、測縫計、多點位移計、錨桿應力計、鋼筋計、應變計、溫度計等各種儀器。應選擇其中對監(jiān)控工程安全起重要作用且人工觀測又不能滿足要求的關鍵測點納人自動化觀測系統(tǒng)。同時所有納人自動化系統(tǒng)的儀器，都應預先經(jīng)過現(xiàn)場觀測值可靠性鑒定，證明其工作性態(tài)正常。3）采集站由測控單元組成并根據(jù)儀器分布情況決定其布置，一般設在較集中的儀器測點附近。4）監(jiān)測分站一般根據(jù)建筑物規(guī)模及布置情況決定，如大壩、泄水道、電站等可分別設置分站，應避免強電磁干擾。如系統(tǒng)規(guī)模較小，也可以不設分站。5）監(jiān)測總站一個工程設一個總站，即現(xiàn)場安全監(jiān)控中心。應有足夠的設備和工作空間，良好的照明、通風和溫控條件。6）管理中心即樞紐管理局或需要遠傳觀測數(shù)據(jù)的上級領導單位。

2．系統(tǒng)功能（1）傳感器感應大壩變形、滲流、應力、溫度等各種物理量，將模擬量、數(shù)字量、脈沖量、狀態(tài)量等信號輸送到采集站。傳感器種類可分為：電阻式、電感式、電容式、振弦式、調頻式、壓阻式、變壓器式、電位器式等。（2）采集站1）根據(jù)確定的觀測參數(shù)、計劃和順序進行實際測量、計算和存儲，并有自檢、自動診斷功能和人工觀測接口。除與主機通訊外，還可定期用便攜式計算機讀取數(shù)據(jù)。2）根據(jù)確定的記錄條件，將觀測結果及出錯信息與指定監(jiān)測分站或其他測控單元進行通信。能選配不同的測量模塊或板卡，以實現(xiàn)對各種類型傳感器的信號采集。3）檢測指定的報警條件，一旦報警狀態(tài)或條件改變則通知指定的監(jiān)測分站。4）將所有觀測結果保存在緩沖區(qū)中，直到這些信息被所有指定監(jiān)測分站明確無誤地接收完為止。5）管理電能消耗，在斷電、過電流引起重啟動或正常關機時，保留所有配置設定的信息。并具有防雷、抗干擾、防塵、防腐，適用于惡劣溫濕度環(huán)境。6）采集系統(tǒng)的運行方式主要分中央控制式（應答式）及自動控制式(匯報式），必要時也可采用任意控制式。

（3）監(jiān)測分站1）系統(tǒng)自動啟動，數(shù)據(jù)自動采集：巡測、選測、正常及加速周期等數(shù)據(jù)采集。2）輸人人工讀數(shù)或記錄器讀數(shù)，將所屬測控單元內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)匯集到監(jiān)測分站中。3）監(jiān)測數(shù)據(jù)檢查校核，包括軟硬件系統(tǒng)自身檢查、數(shù)據(jù)可靠性和準確度檢查及數(shù)學模型檢查。4）數(shù)據(jù)存儲、刪除、插人、記錄、顯示、換算、打印、查詢及儀器位置、參數(shù)工作狀態(tài)顯示。5）安全監(jiān)控、預報及報警。6）能與采集站和監(jiān)測總站進行數(shù)據(jù)傳輸、雙向通訊。（4）監(jiān)測總站1）除監(jiān)測分站功能外，還應具有圖像顯示、工程數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)管理功能。2）具有較強的脫機（離線）處理功能，并備有齊全的數(shù)據(jù)分析處理軟件。3）將各監(jiān)測分站數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集到總站數(shù)據(jù)庫內(nèi)，再次進行驗證，發(fā)現(xiàn)異常即反饋到分站進行校核或現(xiàn)場檢查。4）建立、標定安全監(jiān)控數(shù)學模型，并進行影響因素分解及綜合性的分析、預報和安全評價。5）數(shù)據(jù)遠程傳輸及雙向通訊功能。

3．軟件配置（1）配置要求1）建立數(shù)據(jù)庫。建立各種觀測資料及有關的工程設計、施工資料數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一存人計算機進行管理，并能方便地提供資料分析調用。2）進行數(shù)據(jù)的預處理。利用計算機對各種原始監(jiān)測資料自動進行可靠性檢查，把含有粗差的測值定位和剔除，并能進行觀測值序列的系統(tǒng)誤差檢驗。3）建立觀測值的各種數(shù)學模型。包括建立統(tǒng)計性模型、確定性模型和混合性模型進行安全預報和監(jiān)控，并且隨著時間的推移和觀測資料的積累而自動對原模型參數(shù)進行修正，以適應水工建筑物的變化規(guī)律。4）進行有限元結構分析。計算各種工況下的位移、滲流。應力和穩(wěn)定安全系數(shù)，自動擬定安全監(jiān)控指標，并能對混凝土和基巖彈模、導溫和熱膨脹系數(shù)及巖土滲透系數(shù)等特性參數(shù)進行反演。5）繪制各種相應的圖表及報表。自動繪制各種過程線、相關線、分布圖及數(shù)學模型分析、分解的成果圖等，并進行畫面及圖像顯示供管理人員方便地使用。6）對水工建筑物的各種工況進行綜合評價。作為大壩安全運行、鑒定或加固的依據(jù)并對安全性作出判斷或報警。

（2）運行環(huán)境1）計算機；2）操作系統(tǒng)；3）系統(tǒng)外設：打印機、繪圖儀、掃描儀；工作站、網(wǎng)絡交換機、不間斷電源、防雷接地等輸人輸出設備，還要留有數(shù)據(jù)通訊、大屏幕動態(tài)顯示、電視圖像監(jiān)視及聯(lián)網(wǎng)接口等。（3）結構設計1）采用層次化、模塊化的總體結構設計，整個系統(tǒng)一般分為五大模塊，包括數(shù)據(jù)管理庫、數(shù)據(jù)預處理庫、信息分析庫、監(jiān)控庫和圖表庫。2）每個功能模塊下可分為若干子模塊，模塊的調用采用中文窗口式菜單，人機交互界面，又有功能鍵激活操作，以方便使用。

5.3.5報警準則1．設計要求1）應以上述觀測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)及數(shù)學模型為重點，進行實時監(jiān)控和報警。隨著大壩運行情況的變化，必要時還可在適當位置調整或增減個別儀器觀測點，以增大報警系統(tǒng)的可靠性和有效性，保證工程安全。2）在公共安全報警之前要對儀器故障報警和測值超限報警的真實性進行檢查鑒別。建議將庫水位超過設計最高洪水位和水庫泄洪量超過設計最大泄量也作為報警指標之一，有條件時，可將安全監(jiān)測和水情測報兩種報警系統(tǒng)相結合，組成一個統(tǒng)一的報警系統(tǒng)。3）報警器最好具有遠距離發(fā)送、接收及進行無線傳輸信號的能力。4）根據(jù)需要可同時設計并安裝一套能在遠離大壩的監(jiān)測分站或監(jiān)測總站進行監(jiān)測的大壩電視圖像監(jiān)視系統(tǒng)，為對大壩和水庫的直觀檢查提供手段。5）報警系統(tǒng)設計要求將錯誤報警減至最少而保證真實報警能全部發(fā)送。2．報警準則1）設計的事故報警系統(tǒng)分高、中、低3級。2）低級報警可在觀測人員內(nèi)部引起注意，中級報警應提醒工程管理人員加強對大壩安全的管理，但大壩還沒有破壞的情況，高級報警則預示大壩可能出現(xiàn)事故或失事。3．圖像監(jiān)視（1）系統(tǒng)功能1）電視圖像監(jiān)視系統(tǒng)是為了提高報警的可靠性，更好地了解和檢查大壩的工作狀態(tài)和運行情況，著者建議有條件的工程可建立大壩圖像監(jiān)視系統(tǒng)，作為大壩安全監(jiān)測重要的輔助手段。2）主要是對大壩、地基、岸坡的關鍵部位及觀測設施建立圖像觀測點進行實時監(jiān)控，并將圖像傳輸?shù)奖O(jiān)測分站、總站或管理中心，進行圖像監(jiān)視、顯示、錄制、回放，并對攝像設備進行遠控。3）系統(tǒng)應具有抗高溫、高濕、強電磁場及室外設備防雷、防雨、防塵功能。4）局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的用戶，可以通過圖像監(jiān)視服務器訪問所有觀測點的圖像。（2）系統(tǒng)組成；（3）圖像傳輸5.4灌區(qū)渠道運行控制

5.4.1渠道運行控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀

渠道運行自動控制是自動控制技術在渠道系統(tǒng)運行中的應用，它融入了明渠水力學、自動控制理論以及供水與用水的管理科學知識，是一個多學科交叉研究領域。渠道自動控制是在遵循渠道水流運動規(guī)律的基礎上實行的自動控制，一方面控制中必須充分考慮渠道水流的水力特性、水波的傳播特性以及渠道運行中的安全、經(jīng)濟等要求，才有可能取得好的運行控制效果；另一方面自動控制系統(tǒng)自身必須具備良好的自控品質和系統(tǒng)設備適應渠道惡劣的野外運行環(huán)境，才有可能使渠道自控系統(tǒng)技術得以廣泛的應用。由于渠道輸水系統(tǒng)分布空間大、水流運動非恒定性、外界干擾不確定性以及控制系統(tǒng)大滯后和非線性，使得渠道運行控制復雜，因此，盡管渠道自動控制的研究歷史很長，但后期發(fā)展較為緩慢。

在國外，灌溉自動化始于上世紀三十年代，首先由法國Neyrpic公司研制出一系列的用于明渠自動控制的水力自動閘門和其它灌溉渠道自動化裝備，提出了水力自動化灌溉的控制方式，并于1937年成功地將上游常水位控制閘門AMIL安裝于阿爾及利亞的OuedRhiou地區(qū)的灌溉工程中，實現(xiàn)了灌溉渠道水力自動化調節(jié)和輸水，控制最大流量為10m3/s。到了上世紀40年代末，發(fā)展了常下游水位閘門（Avis.Avio閘門）。二戰(zhàn)之后，國外進一步發(fā)展了利用電氣控制的渠系自動化控制設備，充分利用了電氣訊號傳輸速度快的特點，提出了一些新的控制方式，并發(fā)展了相應的數(shù)學模擬技術。由美國肯務局1952年開發(fā)安裝在美國ColumbiaBasin工程上的Little-Man自動控制裝置獲得成功，它的基礎是三點控制器，即設定常水位和靜區(qū)值。三點控制器的工作狀態(tài)為：水位位于靜區(qū)內(nèi)，關閉狀態(tài)，沒有糾正作用；水位高于靜區(qū)上限以上，開狀態(tài)，驅動閘門降低水位；水位低于靜區(qū)下限，開狀態(tài)，驅動閘門提高水位。在三點控制的基礎上加上比例控制，Little-man被改造成Govin控制器。在國內(nèi)，由于科學技術發(fā)展水平的滯后和經(jīng)濟實力等多方面的原因，渠道自動控制理論研究和應用技術水平都落后于發(fā)達的國家。上世紀50年代，我國才開始有學者著手研究和引進渠道自動控制技術，不過當時渠道自動控制技術也僅僅表現(xiàn)在水力自動閘門的應用上，而且具有渠道自動控制概念上的水力自動閘門也只是在比較發(fā)達的省份的部分水利灌溉工程中才得到運用。從上世紀80年代開始，不少高等院校和科研機構的專家學者進行了渠道自動控制技術的研究工作，也取得了一些重要成果（其中以武漢大學王長德教授為代表的研究隊伍和中國水電科學研究院王念慎等）。渠道運行控制技術在實際工程應用并不廣泛，上世紀80年代初，水利部在韶山灌區(qū)（人民勝利渠）等典型灌區(qū)開始實施渠道運行自動控制試點工作，但當時自動化程度較低，主要是顯示渠道水位和流量，閘門控制中有人為手動指令動作。目前，國內(nèi)渠道運行控制，多數(shù)是以單個閘門形式來獨立實現(xiàn)渠道局部水位或流量的自動化控制，尚沒發(fā)現(xiàn)對整體灌區(qū)渠道系統(tǒng)實施全自動控制的。渠道運行控制理論和技術的研究，雖然取得了較多的科研成果，但在系統(tǒng)控制品質和實際應用技術上仍存在不少遺留問題和困難。如：(1)實際工程中渠道系統(tǒng)控制，由于難以建立精確的數(shù)學模型，使得傳統(tǒng)PID控制（在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器，亦稱PID調節(jié)器，是應用最為廣泛的一種自動控制器）的實現(xiàn)較為困難。(2)整個渠道系統(tǒng)作為大系統(tǒng)的自動控制，其滯后時間往往是以天計，這在傳統(tǒng)的工業(yè)過程控制中難得一見，因此大滯后渠道系統(tǒng)作為集中控制將十分困難。(3)渠道非均勻流、控制對象的流固強耦合、非線性以及控制設備的適用性等，使得渠道運行控制的許多實際應用中技術難問題。(4)如何充分利用當今發(fā)達的網(wǎng)絡信息系統(tǒng)資源，將渠道控制策略與灌區(qū)用水供求的高層決策一起考慮，這種人腦控制決策思想的高級智能控制，在實際工程應用中還有很多技術問題，有待于更多的探索。(5)隨著科學技術的不斷進步，人們所面臨的問題越來越多，需要加以控制的對象和過程變得越來越復雜，對控制質量的要求也變得日益嚴格。在這種情況下，現(xiàn)代控制理論也顯得軟弱無力，其局限性就日益突出。

5.4.2渠道運行特征與準則

渠道正常運行是計劃供水和配水的必要保證。渠道的良好運行，是遵循渠道水力學規(guī)律和渠道安全運行原則，在滿足渠道及控制建筑物等邊界約束條件下運用合理的渠系調控方法來得以實現(xiàn)的。5.4.2.1渠道水流運動規(guī)律無論渠道用于供水型還是需水型系統(tǒng)，渠道水流流態(tài)大體上可分為恒定流和非恒定流，實際中恒定流是一種理想狀態(tài)，當上游水庫供水穩(wěn)定，渠系達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時，可以認為渠道流態(tài)是恒定流，在此情況下，各渠段可能出現(xiàn)的水流有均勻流、漸變流和急流。均勻流是一種理想流態(tài)，只有在較長的順直渠道上，無分水口和節(jié)制建筑物的情況下才可能出現(xiàn)。急流一般出現(xiàn)在渠道節(jié)制閘，分水口和溢流堰等建筑物后，如水躍、跌水等急流，急流往往破壞渠道連續(xù)平緩的水面線。在渠道中較多見的還是漸變流。當上游水庫供水不穩(wěn)定或在渠道各節(jié)制閘在調控過程中，渠道水流從一種穩(wěn)定狀態(tài)變到另一穩(wěn)定狀態(tài)時，渠道中水流為非恒定流。嚴格地講，渠道水流是非恒定流，而且非恒定流下的流態(tài)與渠段邊界條件上下游節(jié)制建筑物（節(jié)制閘）以及附近的分水口有關，即便是同一渠段，在不同運行時刻，其流態(tài)也有變化。所以，渠道水流的基本特征要素如水位區(qū)和流量是隨時間t和沿程s發(fā)生變化的，即有：

圣維南提出了著名的明渠非恒定流基本方程：此外，渠道中開啟和關閉閘門都會產(chǎn)生水面漲水波和落水波的傳播運動，其波速一般都是平均渠道水流速度的10幾倍。實際上，波的前緣傳播速度是渠道形狀的函數(shù)，如表達式所示：移動波的速度是一個重要的運行準則，它決定了渠道中一點的流量變化何時影響到另一點。例如，當渠的流量增大時，一般假定增加的流量以渠中水流速度向下游傳播，直至到達分水閘時，分水閘處的流量才得以增加。但事實上，下游各點，在移動波峰前緣到達時流量就開始增加，比按照明渠中平均流速預測的時間要快得多。5.4.2.2渠道運行方式

渠道的運行方法取決于渠段水面支樞點的位置（支樞點是渠段內(nèi)水面波動時，水深保持不變的位置），按其在渠道的相對位置可將渠道的運行方式分為：1.下游定水深；2.上游定水深；3.等容積；4.控制蓄量。

（a）下游定水深；（b）上游定水深；（c）等容積；（d）控制蓄量（1）下游定水深運行方式下游定水深運行方式是保持每一段渠下游端水深相對穩(wěn)定，如圖4-1（a）所示。該方式被廣泛采用，其優(yōu)點是渠道尺寸可按通過最大恒定流量設計，恒定狀態(tài)的水深從不超過設計流量下的正常水深，棱柱體渠道尺寸和超高可以達到最小，從而減少了渠道建設費用。在以需求為主的輸水渠道中，下游定水深運行方式存在缺點，即渠段蓄量必須按與自然趨勢相反的方向改變。為了實現(xiàn)蓄量變化，渠段上游端的入流變化必須超量補償出流變化，入流量的變化要大于出流量的變化，直至達到新的水流恒定狀態(tài)。如果可以預測需水量的變化，入流就可以超前于出流的變化而提前反應。因此在下游定水深運行的渠道中，需水量的變化比供水量的變化更難控制，以供給為主運行的渠道要比需求為主的運行渠道反應更快、更容易，上游端較大的流量變化可能都不致發(fā)生問題，下游段的流量變化必須小且變化緩慢以避免過大的水位波動。通常采用預測，使上游流量變化超前于需要的變化量，以此來改善系統(tǒng)對渠段蓄量變化的反應速度。

（2）上游定水深運行方式水面以渠段上游端為軸運動，使上游保持定水深，上游定水深方法有時也叫“水平渠岸”運行，因為渠岸必須是水平的，以適應零流量水面線，如圖4-1（b）所示。修建水平渠岸是這個方法的主要缺點，水平渠岸大大增加了渠道建設費用，特別是對于混凝土襯筑的渠道。除了哪些控制閘之間水位落差很小的渠道和以低于最大過流能力運行的渠道外，大多數(shù)渠道都不能采用水平渠岸運行方式，除非每一渠段的下游增加渠岸和襯砌。由于渠中水深至少應處于滿流正常水深，所以分水閘可以位于渠段內(nèi)任一位置。然而，如果分水閘處需要定水頭，則應處于渠段上游端。棄水道也應位于同樣的地方，以達到最佳的運行狀態(tài)。當結合下游運行概念時（以需求為主的運行），上游定水深運行方式更為有效，渠段下游端產(chǎn)生的流量變化引起渠道水深按需要的方向變化，最后達到新的恒定狀態(tài)的水面線?？梢娝角哆\行的主要優(yōu)點是能很好地適應水量需求變化，具有調節(jié)蓄水量的能力。通過小流量時，渠段中的蓄量增加，可增加需求供水；通過大流量時，如果出流量減少，原水面以上可蓄存額外水量供使用。水平渠岸運行不適用于以供水為主的渠道，否則運行低效，增加的水平渠岸建設費用將被白白浪費。

（3）等容積運行方式這種運行方式理論上是指渠段總是保持相對穩(wěn)定的蓄量，當流量變化時，水面以渠段中心為軸轉動，從一種恒定流狀態(tài)變化到另一種恒定流狀態(tài)渠段蓄量不變，這種運行方式有時也稱“同步運行”,因為同步運行閘門通常是用來保持蓄量的不變。渠段鍥型蓄量的變化對稱地出現(xiàn)于渠段中間支樞點的兩側,如圖4-1（c）所示。對一給定的流量變化,每一鍥形的蓄量變化相等,方向相反。當流量減少時,上游鍥形蓄量減少,下游鍥形蓄量增加,當流量增加時,則相反。等容積運行的主要優(yōu)點是渠段蓄量沒有發(fā)生改變，因此能迅速改變整個渠系的水流狀態(tài)。整個渠系在上游定水深和下游定水深運行方式條件下,水流從一種變恒定流狀態(tài)到另一種恒定流狀態(tài)的改變,往往需要較長的時間才能完成,而等容積運行方式避免了這種運行耗時的缺點。等容積運行就增加渠岸工程來說，則介于上游定水深和下游定水深兩種運行方式之間,優(yōu)于上游定水深。但等容積運行可能會增加節(jié)制閘的數(shù)量，特別是在渠道底坡較大的情況下控制渠段長度受到限制，從而增加了工程投資。（4）控制蓄量運行方式渠系運行可以通過控制一個或多個渠段中的蓄水量來實現(xiàn),這種運行方式的渠段沒有固定的支樞點,如圖4-1（d）所示，運行以蓄量為依據(jù),所以流量或水深都可用作觀測參數(shù)。在幾種運行方式中控制蓄量運行方式最為靈活,渠道運行可以比較容易適應正常、非正常和應急工況，因為沒有固定水深的限制，運行的靈活性主要受水位波動范圍限制?？刂菩盍窟\行方式下的渠系運行能夠適應較寬的流量變化范圍，在沒有用渠道外蓄水或使用棄水道的情況下，流量突然有大的變化時，渠段通過自身一定的調蓄能力也可以滿足渠道的正常運行?？刂菩盍窟\行方式特別適合于需要考慮非峰荷時間抽水的渠系運行。這種運行方式的缺點之一是需較大的渠道調蓄能力，即較大的渠堤超高或較大的渠堤斷面，另一個缺點是渠段水位變幅較大，對旁側取水口的流量控制不利，此外，這種運行方式不適合人工控制。

5.4.2.3渠道安全運行原則

渠道安全運行主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）渠道安全超高與漫頂一般渠道運行的最大水深Hmax不得超過渠道襯砌高度，為了安全起見，渠道堤頂都預留安全超高，以防在渠道運行過程中出現(xiàn)漫頂，造成嚴重的侵蝕甚至潰決。2）水面降低速率限制渠道中流量突然增大，只要水位不超高，對渠道一般不會有不利影響，但是過快的水面驟降，對于襯砌破壞來說是相當不利的，過大的反滲壓力會導致襯砌破壞。所以渠道運行中，通常要限制節(jié)制閘閘門調節(jié)變化速度，控制流量的突然變化，以防止產(chǎn)生較大的逆水波。3）渠道的調蓄庫容與棄水道一般渠道沒什么調蓄能力，渠道引多少流量，渠道就輸送多少流量，但對于有些渠道穿過一定數(shù)量的池塘和水庫，則這樣的渠道有一定的調蓄能力，有效的調蓄能力有助于增加渠系運行的靈活性，以平衡輸水供求計劃之間的差異。當渠道無調蓄能力時，當區(qū)間來水增大或用水突然減少時，渠道多余流量應當安全泄走，所以在渠系中合適的地方布置棄水道，并在渠道棄水口設置泄水閘或溢流堰，以保證渠道的安全運行。

5.4.2.4渠道及控制建筑物等邊界條件

渠道水流運動受到渠道邊界及渠道上一些控制建筑的約束，渠道控制運行是保證水流以一定的水面坡降、流速和水深范圍在渠道中運行。為了使渠道取水口獲得取水流量的穩(wěn)定，通常要保證取水口處的渠道水位相對穩(wěn)定。而天然渠道水位隨流量變化而變化，所以在渠道中為了配合取水口的取水，一般需要設置節(jié)制閘，對渠道中的水位和流量進行調節(jié)控制。節(jié)制閘的位置和相鄰節(jié)制閘的間距與渠道底坡，渠測取水口的位置以及渠道運行控制方式等有關。相鄰節(jié)制閘之間的渠道，通常叫渠池，渠段長度對渠道運行控制有較大影響。渠段長，底坡大，流量變化會引起較大的水面波動。

5.4.3渠道自動控制及控制系統(tǒng)組成

對渠道實行自動控制，采用的控制方式應滿足以下三方面的要求：1）當渠道輸水量發(fā)生突然變化時，系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的自動調節(jié)時間要短，即系統(tǒng)的過渡過程時間Ts要短；2）渠道自動控制系統(tǒng)對渠道水位和流量的控制要穩(wěn)定，即要求不能出現(xiàn)嚴重的超調現(xiàn)象，不至于引起較大的波動；3）對于設定的控制水位或流量，控制系統(tǒng)滿足一定的精度控制要求。渠道控制大致可分為：就地控制、（遠地）中央控制、綜合系統(tǒng)控制三類。5.4.3.1就地控制

就地控制是對需要控制運行的一段渠道的水位或流量實施控制，通常被控對象是該渠段的上游或下游的節(jié)制閘，通過調節(jié)節(jié)制閘閘門開度來調控渠道水位或流量。按照控制信息來源方向不同，就地控制可分為：①上游控制；②下游控制①上游控制是從控制閘門上游獲得水位或流量等控制信息。實際工程中常采用的是（閘）上游常水位控制，即控制下游閘門維持上游監(jiān)測點水位恒定，與前面提到的渠段下游常水位運行是相匹配的。②下游控制是從被控閘門下游獲取水位或流量等控制信息。實際工程中常采用的是（閘）下游常水位控制，即控制上游閘門維持下游監(jiān)測點水位恒定，與前面提到的渠段上游常水位運行是相匹配的。實際工程中屬下游運行的下游常水位控制系統(tǒng)的有：NERYPIC系統(tǒng)、Bival系統(tǒng)、EL—FLO系統(tǒng)、CARDD系統(tǒng)等

5.4.3.2（遠地）中央控制

隨著計算機技術和通信技術的迅速發(fā)展，渠系自動化控制也向遠程遙測遙控和全部渠系集中調度控制方向發(fā)展，使整個渠系或灌區(qū)的輸水系統(tǒng)的控制集中在控制中心，由中心收集水情信息，并由中心發(fā)出控制指令，這樣的控制也叫中央控制。優(yōu)點：中央控制較多地采用動態(tài)調節(jié)，使所有渠道或渠段介入運行，以滿足各自需求，調蓄或泄掉多余的棄水。中央控制系統(tǒng)可以使渠系調控反應時間大大縮短，并可在各控制渠段之間建立相互協(xié)調關系，使輸水和供水趨于平衡，在保證灌區(qū)渠系蓄水或棄水在全局范圍內(nèi)達到最優(yōu)的情況下保證控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5.4.3.3綜合控制

綜合控制是中央集中控制和就地控制相結合的一種控制方法。綜合控制方法對一般的渠系是適合的，中央控制用于渠系渠首閘門和其它主要分水口的分水閘的控制，而渠系中節(jié)制閘和其它小的取水口采用就地控制。綜合控制可以減小中央控制規(guī)模，節(jié)省監(jiān)控系統(tǒng)投資；當系統(tǒng)故障時，渠系在就地控制下仍能維持運行。

5.4.3.4渠系自動控制的基本組成

比較合理的渠道運行自動控制系統(tǒng)是一個反饋控制系統(tǒng)，如圖4－2所示。由三個基本部分組成，即①傳感器；②控制器；③執(zhí)行機構。1）傳感器在渠道控制系統(tǒng)中，傳感器一般采用水位傳感器（步進觸點電阻式、壓力式、光電式、電測水尺等），通過傳感器來檢測渠道中控制水位，或通過水位來反映斷面控制流量。2）控制器是渠道控制系統(tǒng)的核心部分，通過對傳輸?shù)男畔⑦M行分析、加工，并向執(zhí)行機構發(fā)出操作指令。隨著控制理論和技術的進步，控制器也在向智能方向發(fā)展。3）執(zhí)行機構直接執(zhí)行控制操作命令，對運行過程產(chǎn)生影響的機構，如各種自動閥門或閘門等。5.4.4大型灌區(qū)渠系運行控制策略研究

所討論的大型灌區(qū)渠系運行控制，是指包括自渠首到渠末端的所有分支渠道，而不是單一的某個渠段的運行控制，因此，其運行控制策略的制訂應與灌區(qū)信息化建設結合起來考慮，使得它們在灌區(qū)管理中成為一個有機的整體。目前，全國大型灌區(qū)信息系統(tǒng)，亦把渠系系統(tǒng)自動化控制納入其中，使其成為重要的組成部分，如圖4－3所示是一個實際的灌區(qū)信息化系統(tǒng)規(guī)劃的總體結構示意圖。不難看出，灌區(qū)運行管理所需要的所有信息資源和通信及計算機網(wǎng)絡等決策支持系統(tǒng)，最終落到實處的是渠系自動調控，使之實現(xiàn)安全實時適量地完成輸水任務。根據(jù)信息化建設內(nèi)容以及渠系自動控制的自身特點，可以認為渠道運行控制與灌區(qū)來水、用水需求密切相關，需求決定供水，因此灌區(qū)渠系系統(tǒng)是需水型系統(tǒng)。5.4.4.1渠首控制系統(tǒng)

灌區(qū)渠系能否實時適量地對整個灌區(qū)供水，在很大程度上取決于渠首取水量對時間分布的合理性，因此渠首取水閘的自動控制是渠系良好運行控制的先決條件。一般情況下，已建灌區(qū)的渠首取水最大流量Qmax是受上游供水水庫的來水水位和流量限制，同時也受到下游干渠渠首的通過能力限制，這是一個灌區(qū)建成后所固有的特性，不好輕易改變。渠首取水流量Q（Q≤Qmax）是與需水要求和下游渠道運行特性相關的，是時間的變量，即可以表示為Q（t），理論上Q（t）是滿足渠道安全運行的灌區(qū)灌